設計思想

もちろん、ドラマ内の飛行機の設計図はありません。
ドラマの映像をヒントにした程度なので、六角形ボディと２枚翼程度しか参考にできません。
だいたいのイメージをもとにAdventure3のサイズを基本にFusion360で設計しました。

こだわり

・胴体はドラマを参考に六角形、プロペラの複葉機
・プリンタは、Adventurer3を使用するので、サイズは150mm以内
・フィラメントは、手持ちのPLA、黒・黄色・緑
・設計ツールは、Fusion360 個人使用無料ライセンス
・部品は全て３Dプリンタ作とし、締結も金属ネジや接着剤を使用しない
・プロペラとタイヤは、回るようにしたい

こんな方針でモデリングしてます。

３Dプリンタ製作を意識した設計ポイント

・部品厚さやパーツサイズはあまり小さくできない。
　小さくしすぎるとうまくプリントできません。今回は最小1.5mm厚、ネジは最小M5とします
・アンダー部はなるべく出ない形状で設計したいけど、でてしまう場合は分割も考えます。
　ただし分割すると、今度は分割部品の締結が面倒です。思案のしどころですね。
　サポートとヤスリ調整も選択肢の一つと考えます。最悪接着かな～。
・はめ込む部分のクリアランス（隙間）は片側0.1～0.2mmで、精度的にヤスリでの調整は必須かな！
・ネジ部は、メネジはタップ、オネジはネジサイズ比率で縮小し金属ナットでネジ山仕上げ

ネジのプリント

分解・組み立てできる、締結方法で一番メジャーなのはネジ（ボルト）だと思います。
ただし、家庭用低価格な３Dプリンタでのネジのプリントは失敗する事もよくあります。
金属ネジを使用すれば、強度があり小さくできますが、ここはプリンタ製にこだわりたい！

プリント可能なネジサイズ

サイズが小さくなると、失敗するリスクが大きくなります。
筆者の経験では、M4までいけそうですが、失敗したくない場合にはM5までかな？と思っています。

ネジのモデリング

Fusion360 では、簡単にネジをモデリングする事ができますが、オス・メスを
そのままモデリングした造形品同士ではなかなか、スムーズに入りません。
やはり、クリアランス（隙間）を与えてモデリングしたほうが、スムーズに締結できます。
筆者は経験から、隙間片側0.1～0.15ｍｍで設定して、モデリングするようにしています。
Fusin360でのネジモデリングの方法は、例えばM6のボルトナットをモデリングする場合
「φ６ネジ穴用モデル」「φ6円筒ボルト用モデル」「穴にネジモデリング」
「ボルトモデルからネジ穴モデルを引き算」「ヘッドとネジ部分割」
「ボルトモデルを径方向のみ倍率0.95～0.97縮尺」。このような工程でモデリングします。
【径方向のみ縮尺】というのがミソです。
基本的に、メスはFusion360のネジ機能でモデリングし、オスはメスを引き算し、縮尺する方法です。
Fuison360はオス・メスどちらも簡単にネジをモデリングできますが、それでは隙間が空きません。

ボルトネジ部の縮尺率は、「プリント径 / ネジ径」とします。

プリント後のネジ山仕上げ

金属の場合、メネジはタップ、オネジはダイス、という道具でネジ山をさらいます。

しかし、フィラメントのネジの場合、どうしても弱いので、せっかくプリントしたネジ山を
壊してしまう危険があります。
タップの場合はまだやりやすいですが、ダイスは結構難しいです。
特に、小さくなるほど難しく、筆者はM4が最小ではないか？と思っています。
メネジの場合には、プリント後直接タップ処理しても、ネジ山を壊す事は少ないですが
ダイスは難しいので、上記で説明したように、縮尺処理する事でやりやすくなります。
また、ダイスを使うよりも、市販の金属ナットをダイス代わりに使うほうが壊しにくいです。

プロペラ

プロペラは、羽根は少しねじり、組み立て後も回るようにしたいです。

回るようにするために、隙間を空けて一体でプリントする方法も検討しましたが、
やはり一体では、プリントが難しそうです。
まずは、羽根をボルト・ナットで挟み込むことにしました。
CAD的には悪くないバランスだと思いましたが、実際の寸法では
ナット厚が結構薄くなりちょっと不安になりましたが、とりあえずプリントできました。

プロペラ部のプリントは、羽根をねじったので、FlashPrint5の自動サポートで対応しました
ただ、中央のシリンダーの部分の一層目でテーブルと水平なのにうまく貼り着きません
スティックのりを使ったりラフトを追加したりしましたが、シリンダ部分の一層目で剥がれます。
プリント状況を観察していると、真円のはずなのに、多角形に動いています。
これは、NC工作機械でも加工スピードが速かったり、円弧を直線分解するデータの場合には
トレランスが大きすぎる事が原因で多角形のG-Codeになる場合があります。
まずは、プリントスピードを少し下げて、さらに、FlashPrint5 には、「高度な」の項目に
「パス」⇒「パス精度」があったので、この値を、「0.1」⇒「0.05」にする事で解決できました。

レンチ

今回はプロペラ羽根を止めるナットが薄く止めづらかったですが、以前作ったレンチが重宝しました。
今回に限らずナット用のレンチを作成しておくと便利です。

もちろん、金属用の道具は市販でも購入できますが、３Dプリンタでボルトナットを作る場合、
どうしても弱いので、このよな手締めのレンチを作っておくと重宝します

車輪

プリントできるのか？と思いながらモデリングしていたのが、車輪部分です。
車輪も回るようにしたいのですが、カバーとタイヤとシャフトをどう固定するか？悩みどころです。
金属の細めのネジを使用すれば、簡単ですが、プリンタで作るとなると
最小M4、実用M5ぐらいにはしたいです。
ただし、M5のナットは外径は大きく、車輪全体も大きくなってバランスが悪くなります。

今回は、シャフトを少しテーパにして、押し込む事にしました。
最悪、接着で妥協する事としてモデリングしましたが、意外としっくり挿入できました。
また、イメージ的には、後輪は前輪より小さくしたかったのですが、前輪の大きさが限界そうです。
結局、前後輪同じサイズとしました。

細かいパーツのプリント

全体サイズが115×100mmと、設計的に小さかったため、各部品はかなり細かくなってしまいました。
やはり、細かいパーツやアンダー形状のプリントは難しいですね。
サポートやスライサーの設定など、苦労したパーツもあったので、いい勉強になりました。
また、ラフトを使った方がプリントは安定しますが、どうしても底面に影響がでる形状もあります
スティックのりでうまくいけば、そのほうが綺麗でした。

組み立て

組み立て自体は簡単ですが、やはり弱い箇所が、ポキッ！と言う事がありました。
主翼のステーが折れました。

見るからに、弱そうですね。
根本にフィレットを追加したら、折れなくなりました。

パーツ同士の固定方法は、ネジがほとんどですが、上で説明したように、
プリント後、ネジ山はタップやナットでさらっておきます。
さらに、組み合わさるネジ同士は、事前に何度かはめ込んで、軽く入るようにしておきます。
プリンタの制限で、全体のサイズに比べて、ネジ部分が大きい傾向にあるので
組み立てる時に、指が入りにくい箇所もでてきます。
パーツが変に曲がらないように、焦らずに、はめ込んでいきましょう！

完成！

パーツデータ「STL」公開

パーツデータは、こちらからダウンロード可能です。
ただ、ネジや細かい部品は、失敗する可能性もあります。
ご使用のスライサーの設定などで調整してください。

組み立て動画

組み立て方法を、Fusion360のアニメーションで動画にしてみました。
Fusion360のアニメーションはうまく使えば、取説などにも使えそうです。

バイスを設計してみます。

ブロック素材を固定するには、バイスが便利です。
いろいろな種類のものが市販されていますが、今回は練習題材として、簡易的なバイスをモデリングしてみます。
まずは、各パーツのモデルを作成し、そのパーツをアセンブリしてみようと思います。

マンガ絵

現場で部品を作成する場合、適当なイラストを描いてCAD化する事が多いです。
今回もへたくそですが、描いてみました。

こんなイメージ・・・(^^;
本体にネジを固定し、中央にはネジを切った可動駒を挿入します。
ネジを回す事で、可動駒が移動して、材料を締め込む仕組みです。

パーツ１、本体

本体はこんな感じにしてみました。
終端の固定部分に座繰り穴を施しその部分に、ボールネジを挿入します。
ボールネジを可動軸とし、座繰り穴にネジ頭を挿入。
可動駒には可動方向を一方向に拘束できるように、レール溝をつけてみました。
本体の背中部分には、口金を装着します。
口金は取り換え可能なように、ネジを施しました。

ただ、この本体部品は一体での加工は大変ですね～
実際には、複数パーツに分割する事になると思いますが、今回はアセンブリの練習なので
一部品で進めす。

パーツ２、可動駒

中央の可動部品は、ネジを切り、本体のレールに入るようにします。
本体同様、口金の取付ネジ穴も付けました。

パーツ３、ボールねじ

駆動系は、ネジです。
実際には、左ネジのほうがよさそうです。
本体とフロントプレートでこのボールねじを拘束するような構造にします。

その他のパーツ、口金・フロントプレート、レンチ

口金は取り換えられるように、ねじ止めとします。
本来であればフロントプレートも本体とはネジ止めになると思いますが、今回は手抜きです。

ボルトインポート

ボルトは前回作成したテンプレートを利用してみようと思います。
データパネルから、直接ドロップさせる事が可能です。

ただし、今回のように同じフォルダからドロップした場合、リンク属性になっています。
ボルトテンプレートは、各寸法をパラメータ化したので、対応する変数を変更すればモデルにも反映されます。
変数を変更するには、ドロップしたコンポーネントをアクティブにする必要があります。
しかし、リンク属性の場合、アクティブにできないようです。
リンクを解除するには、対象のコンポーネントの右ボタンから「リンクの解除」を実行します。

「リンクの解除」が完了すると、対象のコンポーネント名の「鎖」のマークが消え
右端の「〇」を選択できるようになります。
選択しアクティブになると「修正」⇒「パラメータを変更」から変更が可能になります。

今回、使用したい寸法に変更しました。
変更後、必要な４本に複写します。

フィレットとネジも追加モデリングしました。
これで、バイスを構成するすべてのパーツがそろいました。

アッセンブリ／ジョイント

パーツがそろったら、バラバラの部品を組み立てていきます。
ボディ操作であれば、「修正」⇒「移動／コピー」や「位置合わせ」コマンドで組み立てる事は可能ですが、この場合。固定した状態で組み立てる事しかできません。
部分的に拘束された状態で、可動状態を再現するには「アセンブリ」機能を使います。

コンポーネント化

「アセンブリ」機能を使用するには、「コンポーネント」にする必要があります。

必要な「ボディ」を選択し右ボタンから「ボディからコンポーネントを作成」を実行します。
さらに、複写した４本のボルトも、コンポーネントにしておきます。
「アクティブ」な「コンポーネント」以外は透けた表示になり、下段の「デザイン履歴」はアクティブなコンポーネントだけの履歴になります。
全体の履歴に戻すには、一番上部をアクティブにします。

土台を選択

まずは、本体を土台として固定したいので、「固定」モードに設定します。
「本体」になるコンポーネントを右クリックから、「固定」に設定します。

ジョイント

・「モーション」では接続後どのように動作（固定、回転、スライドなど）させるのかを定義。
・「ジョイント」は、「この面」の「この点」を「あの面」の「あの点」へ順序で合わさる面を定義。

このような感じで、設定していきますが、言葉では分かりづらいので、動画にしてみました。

まずは、接続させたい「面」にカーソルを持っていき、「Ctrl」を押すと、選択できる原点が強調されるので希望の原点を設定します。

正常に設定されると、自動的に接続されます。
接続される、「面」を指定するのがポイントです。

モーション

残りのパーツもジョイントしてみましょう！
選択されている「モーション」の種類にもよりますが、自動ジョイントされた後、可動されます。
ここで可動範囲などは気にせず、可動状態のみを確認し、違っていた場合には変更します。
また、「ジョイント」の起点は、「ジョイントの位置合わせ」の「オフセット」で調整できます。
それでは、残りの「ジョイント」の動画で確認してみましょう。

これで「ジョイント」の設定は完了です。
各パーツは、「剛性」モード以外は、マウスドラッグで指定した「モーション」方向のみ可動させる事ができます。
ただ、動作制限を設定していないので、他パーツと干渉しても、通り抜けてしまいます。
動作の制限は、ブラウザの「ジョイント」から対象のジョイントから「ジョイントの制限を編集」で設定できます。

ジョイントの制限

先ほど説明したように、ジョイントの設定が完了すれば、マウスでドラッグできます。
ドラッグ後は、「位置を戻す」アイコンで、戻す事ができます。
ジョイント設定時の起点が正確であれば、この位置を「0.00」として制限を設定できます。

もし起点がずれている場合でも、最大最小として設定できます。
事前にモデル上の「検査」⇒「計測」で測定しておくと正確に設定できます。

ブラウザの「ジョイントの制限を編集」で設定します。
今回は、起点を最大値「0.00」として、マイナス方向へ「-46.0」を最小値に設定しました。
設定が完了すると、マウスでのドラッグで制限がかかった事がわかります。
別の方法として、「ジョイント」⇒「接触セットの有効化」コマンドでも干渉を感知するので
干渉位置をキャプチャして参照する事もできます。

モーションリンク

今回のバイスは、ボールネジを回すと、可動駒も可動します。
このように、二つの動きが影響しあう場合、「モーションリンク」で設定します。

「アセンブリ」から「モーションリンク」を実行し、リンクしたい「ジョイント」を選択します。
二つのモーションの関係性を設定できます。
今回の「回転」と「スライド」の場合、「角度:360deg」「距離:2mm」に設定すると、ネジ一回転で２ｍｍの動作となります。
アニメーションで、動作の確認ができますし、ドラッグで可動駒を移動させると、ボールネジも回転します。
ブラウザから対象の「ジョイント」右クリックで、「モデルをアニメーション表示」でも動作を確認できます。

ダウンロード

ここで紹介したモデルは、こちらからダウンロードできます。

まとめ

今まで、複数の部品を組み合わせる場合、「移動／コピー」や「位置合わせ」で行っていましたが
ジョイントを使うと、方向がバラバラな場合でも簡単にできます。
さらに、可動する制限も設定できるので、便利ですね。
CAM作業においては、あまり必要性を感じていませんでしたが、工作機械の可動範囲を考慮したり、治具設計を行う場合には威力を発揮しそうです。
今後積極的に使っていこうと思います。
今回は説明していませんが、アニメーション機能も触ってみました。
動作制限などは、設けるけとはできませんが、自由に動作を登録できます。
マニュアルやプレゼンなどの資料作りには重宝しそうです。